梯度纳米结构的塑性应变协调机理

来源：中国科学杂志社

梯度纳米结构的金属材料表现出优异的综合强韧性能以及抗疲劳、抗摩擦磨损等性能。梯度纳米结构具有跨尺度的晶粒结构，晶粒尺寸在三维空间呈连续分布，外载作用时微观塑性流变具有晶粒尺度效应，从纳米晶表层到芯部的多晶层发生异质塑性变形。微观塑性协调是梯度结构本征的力学响应，也是塑性变形和应变硬化的微观机制。迄今，关于梯度结构的拉伸变形，一直存在几个非常令人困扰的问题，如纳米晶层是怎样进行大的塑性变形的？塑性响应迥异的不同层之间是怎样进行微观塑性协调和交互作用的？

研究人员在梯度结构拉伸变形时，进行了同步辐射高能x-射线原位测试，研究了从纳米晶表层到多晶层不同深度的点阵应变及其演化(图1a)，发现梯度结构拉伸时存在两类塑性协调 (图1b，c)，一是由逐层微观屈服导致的瞬态弹-塑性变形，扩展了梯度结构的弹-塑性应变范围；二是纳米晶层发生塑性局域化。进而，微观塑性协调引起了层间和层内的应力状态转变，异质变形诱导了加工硬化和林位错硬化，使梯度结构中纳米结构表层获得与芯部粗晶层相当的拉伸均匀应变。

图1 梯度纳米结构的塑性协调：(a) 梯度纳米结构变形过程的原位逐层观测方法；(b) 由表及里逐层微观屈服行为；(c) 层间、层内异质变形诱导弹-塑性应变范围扩展

该研究通过原位观测方法取得了梯度纳米结构逐层微观屈服和纳米晶层发生应变局域化的直接实验证据，给出了对梯度结构拉伸时表现出的层间表观等应变(iso-strain)现象的一种解答，进一步揭示了梯度结构异质变形诱导的扩展弹-塑性应变、异质变形诱导应变硬化并提高宏观拉伸应变的微观机理，为理解梯度纳米结构的本征塑性变形行为提供了新的思路。

这项工作由中科院力学所，北京科技大学，北京大学与香港城市大学的科研人员合作完成，近日在线发表于Sci China Mater。此项研究得到国家重点研发计划、国家基金委基础研究中心项目、国家基金委项目，以及中科院战略性先导专项的支持。